Os buracos negros são corpos cósmicos intrigantes e amplamente estudados com forças de maré extremamente altas, dos quais nem a luz consegue escapar. Embora muitos estudos previssem a existência de buracos negros, que também foram detectados recentemente, muitas perguntas sobre esses corpos cósmicos permanecem sem resposta.
Pesquisadores da Universidade de Leipzig realizaram recentemente um estudo examinando a polarização do vácuo induzida por um campo escalar de carga quântica perto do horizonte interno de um buraco negro carregado. Os resultados de suas análises, publicados na Physical Review Letters, sugerem que no horizonte interno de um buraco negro carregado, a corrente quântica carregada pode ser positiva ou negativa.
“A teoria da relatividade geral une espaço e tempo no conceito de espaço-tempo e descreve a gravidade como uma flexão desse espaço-tempo”, disse Christiane Klein, uma das pesquisadoras que realizaram o estudo, ao Phys.org. “Uma de suas previsões mais proeminentes são os buracos negros (ou seja, regiões do espaço-tempo das quais nem a luz pode escapar). Se um buraco negro está eletricamente carregado ou girando, seu interior tem uma característica interessante: dentro do buraco negro, há uma superfície com propriedades semelhantes às do horizonte de eventos (ou seja, a borda externa) do buraco negro. Portanto, é chamado de horizonte interno.”
Essencialmente, até o horizonte interno de um buraco negro, o espaço-tempo e tudo o que acontece dentro dele podem ser teoricamente previstos com base no conhecimento do estado do universo em algum ponto do passado, que os físicos chamam de ‘dados iniciais’. prever o espaço-tempo, conhecido como determinismo, é uma característica importante das teorias da física.
Com base em previsões teóricas, no entanto, um observador que cruzasse o horizonte interno de um buraco negro poderia contornar a singularidade central do buraco negro, onde o espaço e o tempo se tornam infinitamente curvos e sair novamente para um universo diferente. Além disso, além do horizonte interno, o determinismo teoricamente se romperia, o que significa essencialmente que a jornada de um observador não seria mais determinada pelos chamados dados iniciais.
Em seu trabalho, intitulado “Radiação Gravitacional e Colapso Gravitacional”, o matemático britânico Roger Penrose previu que isso não aconteceria, pois haveria restos do colapso de um buraco negro ou outros pequenos desvios dos dados iniciais do espaço-tempo do buraco negro.
“De acordo com Penrose, esses desvios se acumulariam perto do horizonte interno e dobrariam o espaço-tempo próximo ao horizonte com tanta força que qualquer observador que se aproximasse seria destruído, transformando o horizonte interno em uma singularidade”, disse Klein. “Essa ideia é chamada de conjectura da censura cósmica forte. Na literatura, diferentes tipos de buracos negros com horizontes internos e diferentes perturbações de seus dados iniciais foram estudados para testar essa conjectura e determinar a força da singularidade no horizonte interno.”
Estudos recentes descobriram que em buracos negros carregados dentro de um universo em expansão, a singularidade pode ser fraca o suficiente para atravessar. Essas descobertas (Cardoso et al.; Dias et al.; Cardoso et al.) acabaram por inspirar alguns dos pesquisadores da equipe a investigar o que aconteceria se eles também explicassem a natureza quântica dos campos gravitacionais e da matéria.
“Geralmente, essas perturbações quânticas são insignificantes”, disse Klein. “Aconteceu que perto o suficiente do horizonte interno, os efeitos quânticos dominam os efeitos clássicos e são fortes o suficiente para transformar o horizonte interno em uma forte singularidade. Isso mostrou que os efeitos quânticos não devem ser negligenciados perto dos horizontes internos dos buracos negros e nos motivou para ter um olhar mais atento a outros efeitos quânticos nesta região.”
Como um buraco negro eletricamente carregado só pode ser formado a partir de matéria eletricamente carregada, Klein e seus colegas decidiram olhar especificamente para a matéria quântica eletricamente carregada. Uma das principais assinaturas observáveis desse tipo de matéria é a corrente elétrica que ela produz. Portanto, os pesquisadores tentaram determinar como essa corrente se comportaria na proximidade do horizonte interno de um buraco negro.
“Em estudos anteriores, argumentava-se que tais correntes se devem principalmente à criação espontânea de partículas de cargas opostas dentro do buraco negro que são então aceleradas em direções opostas”, disse Klein. “Isso teria o efeito de descarregar a região do buraco negro atrás do horizonte interno. Um objetivo era verificar se essa imagem intuitiva de partículas está correta.”
Em seu artigo recente, os pesquisadores consideraram um espaço-tempo descrevendo um universo em expansão com um buraco negro carregado dentro dele. Posteriormente, eles enquadraram a teoria quântica de campos de um campo escalar carregado dentro desse espaço-tempo hipotético.
“Por enquanto, ignoramos que a presença do campo quântico deveria alterar o espaço-tempo”, disse Klein.
Usando a estrutura proposta, a equipe conseguiu estudar a corrente elétrica de um campo quântico no exemplo que eles consideraram. A configuração numérica que eles desenvolveram foi baseada em resultados que reuniram no passado.
“Descobrimos que a contribuição dominante para a corrente no horizonte interno é independente do estado (ou seja, das condições iniciais) do campo quântico, desde que seja fisicamente razoável”, disse Klein. “Nós escolhemos um estado conveniente e derivamos uma fórmula para a corrente usando as técnicas da teoria quântica de campos em espaços-tempos curvos. A fórmula deve ser avaliada numericamente para um conjunto de parâmetros do espaço-tempo (massa e carga do buraco negro e uma constante cosmológica descrevendo a quantidade de expansão do universo) e o campo quântico (massa e carga do campo).”
Os elementos-chave contidos na fórmula usada por Klein e seus colegas são os chamados “coeficientes de espalhamento”. Klein e seus colegas usaram métodos que desenvolveram em um de seus estudos anteriores.
“A corrente deve sempre ter o mesmo sinal, mas descobrimos que a contribuição dominante para a corrente no horizonte interno pode ser positiva ou negativa, dependendo dos parâmetros do espaço-tempo e do campo quântico”, disse Klein. “Deve-se notar que na região do parâmetro muito próxima da carga máxima permitida do buraco negro (se a carga for aumentada ainda mais, não há mais horizonte de eventos e a singularidade no centro se torna ‘nua’) a corrente sempre tende para diminuir a carga do horizonte interno. Isso garante que sua carga não possa ser aumentada além do máximo permitido.”
Os resultados das análises dos pesquisadores foram bastante surpreendentes, pois contradizem a previsão da imagem das partículas. Em contraste com o que eles esperavam, seus resultados prevêem que, sob certas circunstâncias, a carga de um buraco negro dentro do horizonte interno pode ser aumentada por efeitos quânticos.
“Mesmo que nossos resultados numéricos não possam cobrir parâmetros realistas de espaço-tempo e campo quântico, nosso trabalho demonstra que a imagem das partículas é insuficiente para capturar totalmente os efeitos quânticos dentro dos buracos negros”, disse Klein.
Além de contradizer as previsões de imagens de partículas, os resultados reunidos por Klein e seus colegas podem lançar mais luz sobre descobertas bem estabelecidas relacionadas ao horizonte de eventos. De fato, seu trabalho sugere que os efeitos quânticos podem se comportar de maneira bastante diferente na proximidade do horizonte interno de um buraco negro do que no horizonte de eventos, onde se espera que diminuam a carga de um buraco negro. Além disso, os resultados podem inspirar novos estudos investigando efeitos quânticos semelhantes em configurações mais realistas.
“Espera-se que buracos negros realistas tenham, no máximo, uma carga elétrica insignificantemente pequena, mas um momento angular significativo (ou seja, rotação)”, disse Klein. “Na verdade, pode-se considerar os buracos negros carregados como meros modelos de brinquedo para os rotativos: eles compartilham muitas características, como a presença de um horizonte interno, mas os buracos negros carregados são muito mais fáceis de lidar matematicamente. Atualmente buscando é a extensão de nossos resultados para buracos negros em rotação. Seria interessante testar se os efeitos quânticos podem aumentar a rotação do buraco negro perto de seu horizonte interno em vez de diminuí-la, como se poderia esperar ingenuamente.
Publicado em 23/01/2022 06h19
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